Die Eroberung des Weltalls beginnt im achten Semester. Ein halbes Jahr lang entwerfen die Studierenden des Instituts für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart ihren Satelliten: Sie legen das Missionsziel fest, wählen die Bauteile, verwalten das Budget, schicken den Satelliten mit einer Rakete in den Orbit und lassen ihn auf fest vorgegebenen Bahnen die Erde umrunden. Ihre Mission: Sie suchen nach Exoplaneten. Oder beobachten Waldrodungen auf Sumatra. Sie prüfen die Wasserqualität im Golf von Mexiko. Oder spüren Kokainlager in Kolumbien auf.

Am Ende des Semesters wird der beste Entwurf ausgezeichnet – denn in Wirklichkeit flog der Satellit nur auf dem Papier und in den Köpfen der Studierenden. Doch ihre Ideen verschwinden nicht in der Schublade: Das kleine Studienprojekt ist für die Studierenden der Startschuss für eine Entwicklung, an deren Ende sie tatsächlich an einem Satelliten mitgebaut haben werden.

Dafür braucht es allerdings mehr als ein Semester: Zehn Jahre lang haben Stuttgarter Studierende an ihrem ersten eigenen Satelliten gefeilt; Ende kommenden Jahres soll der Raumflugkörper mit dem Namen "Flying Laptop" in den Orbit geschossen werden. Von dort wird er die Vegetation der Erde sowie den Schiffsverkehr auf den Weltmeeren beobachten. Flying Laptop ist der erste Erfolg des Stuttgarter Kleinsatellitenprogramms – des wohl ehrgeizigsten Programms dieser Art in Deutschland.

Von Beginn an hätten sich die Studierenden nicht an anderen universitären Projekten, sondern an industriellen Standards gemessen, erläutert Felix Böhringer, Doktorand und einer von zwei Projektmanagern. "Bisher gibt es keinen universitären Satelliten, der so leistungsfähig ist wie unserer. Flying Laptop hat alle Systeme wie ein industrieller Satellit." Der Raumflugkörper misst 60 mal 70 mal 85 Kubikzentimeter und wiegt 120 Kilogramm. Die Gesamtkosten belaufen sich inklusive Transport in den Orbit auf etwa 10 Millionen Euro, die vom Land Baden-Württemberg, der Universität sowie von Drittmittelgebern getragen werden.

Projektstart mit Hindernissen

Die Verantwortung für das Projekt liegt in den Händen der Studierenden: Weitgehend in Eigenregie bestimmen sie die Ziele ihrer Satellitenmission, treffen technische Entscheidungen und verwalten ihr eigenes Budget. Das Kernteam besteht aus zwölf Doktoranden, von denen jeder einen eigenen Bereich verantwortet. Sie sind mittlerweile die dritte Generation von Doktoranden, die an dem Satelliten bauen. Insgesamt wurden über 170 studentische Arbeiten, von Doktor- bis Bachelorarbeiten, über Flying Laptop verfasst. "Es ist eine tolle Situation, die wir hier haben. Man kann sich sehr stark einbringen und entfalten und hat gleichzeitig den Überblick über das Gesamtsystem", schwärmt Böhringer.

Der "Flying Laptop" von außen
© HLRS (Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart)
(Ausschnitt)
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So wird der Kleinsatellit des Stuttgarter Teams einmal aussehen – hier noch eine Computerdarstellung. Auf seinem Orbit in 600 Kilometer Höhe wird er unter anderem die Reflexionseigenschaften der Erdoberfläche vermessen.

Die eigentliche Herausforderung sei es gewesen, solch ein großes und komplexes Projekt zu organisieren, erklärt Böhringer, der 2006 im Rahmen seiner Diplomarbeit zum Team stieß. Damals hatte das Projekt mit vielen Anlaufschwierigkeiten zu kämpfen. "Wir hatten ein Team, das nur aus Doktoranden bestand, die keine Berufserfahrung hatten und so etwas natürlich auch noch nie gemacht hatten", erzählt er. "Es waren zu wenig Leute mit zu wenig Knowhow: Wie geht man vor? Welche Dinge sind kritisch? Was muss man frühzeitig klären? Sich alle Sachen selbst anzulesen, dauert ewig."

Schon früh holte sich das Team Hilfe aus der Industrie. Von der Firma Astrium, einem der größten europäischen Raumfahrtunternehmen, stehen ihnen heute zwei Berater zur Seite. "Mich beeindrucken die Studenten. Es ist unglaublich befriedigend zu sehen, mit welcher Lernbegierde, mit welcher Motivation und Freude die Kollegen da tätig sind", erzählt Rudolf Benz, der den Studierenden ehrenamtlich als Berater zur Seite steht. Die Zusammenarbeit geschehe mittlerweile auf Augenhöhe. "Solche Studenten bekommen wir mit dieser Ausbildungsqualität und Vorerfahrung von keiner anderen Hochschule. Auch in ganz Europa nicht", sagt ebenfalls Jens Eickhoff, der zweite Berater. Durch ihre Hilfe beim Projekt hoffen die Unternehmen, die gut ausgebildeten Studierenden an sich zu binden.

Die beteiligten Firmen geben außerdem ihre modernsten Bauteile billiger oder sogar kostenlos an die Studierenden ab. Eine Win-win-Situation für beide Seiten, da die Kosten vieler Bauteile das Budget der Studierenden gesprengt hätten. Die Zulieferer hingegen können durch Flying Laptop demonstrieren, dass sich die gerade erst entwickelte Technologie tatsächlich unter Weltraumbedingungen bewährt. "Für die Industrie ist der Kleinsatellit ein Vehikel, das man für relativ wenig Geld in kurzer Zeit bauen kann, um neue Sachen auszuprobieren", erklärt der Stuttgarter Doktorand Marek Dittmar, der ebenfalls am Projekt mitarbeitet. Der Bau großer Satelliten ist extrem teuer, und kommerzielle Entwickler scheuen das Risiko junger Technologien, die noch keine Bewährungsprobe bestanden haben.

Ein lahmer Supercomputer

Im Reinraum des Institutsbaus ist derzeit nur der kastenförmige Rahmen des Satelliten aufgebaut. Seine Einzelteile liegen unweit davon auf einem Tisch verteilt: Bordrechner, Batterien, die Lageregelung aus Magnetorquern und Reaktionsrädern, die Hornantenne, Kameras, der Schiffssignalempfänger und die zahlreichen anderen Sensoren. Zurzeit prüft das Team die Kommunikation zwischen den Bauteilen. Dann erst wollen sie den Satelliten zusammenbauen und einem letzten Belastungstest unterziehen.

Gruppenbild mit Laptop
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Für eine Präsentation wurde Flying Laptop schon einmal zusammengebaut: Die aktuell beteiligten Studierenden posieren vor ihrem selbst entwickelten Satelliten, mit Institutsleiter Hans Peter Röser und den Doktoranden Marek Dittmar und Felix Böhringer (stehend, von rechts).

Das technologische Herzstück bildet der Bordrechner. Mit seinen 33 Megahertz wirkt er wie ein Relikt vergangener Zeiten. Doch der Eindruck täuscht: Mit ihm haben die Studierenden das Niveau des sonst in der Industrie Üblichen nicht nur erreicht, sondern merklich übertroffen. Er gehört zu den schnellsten seiner Klasse.

Die Leistung bei Satellitenanlagen liege im Vergleich zur Unterhaltungselektronik um zehn Jahre zurück, erklärt Böhringer. "Wenn man hochintegrierte Chips nimmt, wie die Prozessoren im Handy, halten diese der Strahlungsbelastung im Orbit nicht stand." Durch die Strahlung treten in manchen Bauteilen leicht Fehlschaltungen, so genannte Bit-Flips, auf. "Damit das System nicht komplett abstürzt, haben wir dort jeden Schaltkreis dreifach integriert. Wenn einer einen Fehler hat, kann dieser herausgefiltert werden. Das führt dazu, dass wir viel Schaltung für wenig Leistung brauchen."

Der besondere Stolz der Studierenden ist die Lageregelung, die den Satelliten immer im richtigen Winkel zur Erde ausrichtet. Dies gelingt mit Hilfe der Magnetorquer, deren magnetische Dipole das Magnetfeld der Erde nutzen, um den Satelliten zu drehen. Zur Feinabstimmung verwenden die Studierenden zudem Reaktionsräder. Sie üben mit Hilfe von Rotationsänderungen einen Drehimpuls auf den Satelliten aus. Dadurch können sie den Satelliten mit einer Genauigkeit von 150 Bogensekunden – das sind 0,04 Grad – ausrichten.

Durch die Lageregelung kann der Satellit einen Punkt auf der Erde während des gesamten Überflugs im Blick behalten. So will das Team beispielweise die Vegetation der Erde aus verschiedenen Blickwinkeln untersuchen und Rückschlüsse etwa über den Gesundheitszustand der Flora ziehen.

Ein wichtiges Missionsziel von Flying Laptop ist die Analyse des dabei aufgenommenen Spektrums. Normalerweise bilden Erdbeobachtungssatelliten identische Oberflächen der Erde verschieden hell ab, denn je nach Position des Satelliten und der Sonne wird die Sonnenstrahlung unterschiedlich stark reflektiert. Um diesen Effekt auszugleichen und gleiche Bereiche als gleich zu erkennen, wäre es nützlich, die Abhängigkeit der Reflexion vom beobachteten Winkel genau zu kennen. Mit Hilfe ihres Satelliten wollen die Stuttgarter diese Abhängigkeit nun bestimmen.

Tatsächlich stehen für die Studierenden am IRS die wissenschaftlichen Missionen nicht im Vordergrund. Sie interessieren sich in erster Linie für den Bau eines solch komplexen Systems sowie seinen reibungslosen Betrieb im Weltall. Die Entscheidung, die Erde zu beobachten, mag daher auch ein Zugeständnis an die Öffentlichkeit sein: Die Erdbeobachtung ist besonders anschaulich und verspricht einen greifbaren Nutzen.

Hightech-Innenleben
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Flying Laptop besitzt alle wesentlichen Systeme eines Kleinsatelliten und orientiert sich damit an industriellen Standards.

Ohnehin war den Stuttgartern klar, dass sie mit den hochspezialisierten Instrumenten kommerzieller Systeme nicht würden mithalten können. Daher wählten sie Nischenprojekte aus, die von Industrie- und Forschungssatelliten nicht umgesetzt werden. Als zweite Mission kombiniert Flying Laptop beispielsweise einen Schiffssignalempfänger mit Kameras. So lässt sich überprüfen, ob ein Schiff am angegebenen Ort tatsächlich in die angegebene Richtung fährt. Illegale Fischereischiffe manipulieren mitunter die Signale, um Behörden in die Irre zu leiten. Die Auflösung auf Höhe der Erdoberfläche liegt allerdings bei lediglich 22 Metern, so dass der Satellit nur große Schiffe aufspüren kann.

Nächstes Ziel: Mond?

Bis zum kommenden Sommer müssen die letzten Probleme gelöst sein, denn schon im Herbst nächsten Jahres könnte ein Platz in einer Sojus-Rakete frei werden. Für den Kleinsatelliten wird keine eigene Rakete gestartet: Ist beim Transport eines Großsatelliten vom kasachischen Weltraumbahnhof Baikonur noch Platz übrig, wird Flying Laptop huckepack genommen. Dann endlich wird der von den Studierenden gebaute Satellit in fest vorgegebenen Bahnen die Erde umrunden und sie aus 600 Kilometer Höhe beobachten. Die Entwickler hoffen, dass der Satellit mehr als zwei Jahre seiner Mission nachkommen wird.

Das Ende von Flying Laptop ist ebenfalls durchgeplant: Wenn er eines Tages ausfallen wird, entfaltet sich ein Segel, das ihn in der extrem dünnen Luft am Rand des Weltalls abbremst. Beim anschließenden Eintritt in die Erdatmosphäre verglüht Flying Laptop restlos. Das Team hält sich damit an eine Richtlinie der europäischen Raumfahrtagenturen, wonach Satelliten spätestens 25 Jahre nach dem Ende ihrer Mission in die Erdatmosphäre eintreten müssen. Dies halten industrielle Betreiber oftmals nicht ein, aber die Studierenden wollen auch das Ende ihres Projektes professionell und vorbildlich erfüllen.

Projektmanager Böhringer hat vor wenigen Wochen seine Doktorarbeit abgegeben, bleibt aber bis zum Start der Rakete beim Projekt. Danach führt eine neue Generation von Studierenden das Programm mit einem neuen Satelliten weiter, aufbauend auf den Erfahrungen und der Infrastruktur, die durch den Flying Laptop gewonnen wurden. Studien zu möglichen Projekten gibt es viele, die Pläne sind ambitioniert: Ein elektrischer Antrieb zur Steuerung eines Satelliten ist ebenso im Gespräch wie ein Ultraviolettteleskop. Selbst über eine Mondmission wird nachgedacht. Welches Projekt sich durchsetzt, hängt auch dann wieder von den Studierenden und den möglichen Kooperationspartnern ab.

"Die goldene Ära, die man in den 1960er und 1970er Jahren in der Raumfahrt hatte, mit dem Apolloprogramm und dem gegenseitigen Wettlauf zwischen den beiden Blöcken ist vorbei", meint Doktorand Dittmar. Doch auch wenn die Raumfahrt nicht mehr so im Fokus steht wie früher, sieht er keinen Grund zur Sorge. Da immer mehr private Raumfahrtfirmen auf den Markt drängen und den etablierten Organisationen Konkurrenz machen, könne neuer Schwung in die Sache kommen, glaubt Dittmar: "Mit der Privatisierungswelle könnte das Ganze in Zukunft wieder interessanter und spannender werden. Wir haben viel mehr Möglichkeiten als früher. Eine Universität, die so einen Satelliten baut, in dem Maßstab und mit der Technik – das wäre vor 20 Jahren einfach undenkbar gewesen."